Étude du vieillissement des isolants synthétiques des câbles moyenne tension "HTA".

Study of aging of electrical insulators used in medium voltage underground power cables.

• Auteur / Autrice : Quentin Pelzer
• Direction : Lionel Flandin, Xavier Colin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 21/06/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Jannick Duchet-Rumeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Petru Notingher, Lara Perrin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sombel Diaham, Frédéric Vidal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diélectriques

Polymères (isolants électriques)

Matières plastiques -- Détérioration

Mots clés libres

Polyéthylène

Vieillissement

Isolants électriques

Dégradation

Diélectrique

Degradation

Polyethylene

Ageing

Electrical insulators

Dielectric

Résumé

Le PRC (Polyéthylène réticulé chimiquement) est utilisé comme matériau de base pour la fabrication de l’enveloppe à isolation électrique des câbles HTA en raison de ces propriétés thermiques et diélectriques remarquables. Afin d’améliorer la fiabilité de ces câbles, des études de vieillissement sous différentes contraintes (thermique, humidité, tension) ont été réalisées sur les différentes couches du câble, et en particulier sur l’isolant en PRC.Dans un premier temps, nous avons identifié un certain nombre de marqueurs chimiques et physiques pouvant donner des informations sur le degré de vieillissement de l’isolant PRC des câbles HTA. Ces différents marqueurs sont caractéristiques d’une dégradation multi-échelle (moléculaire, microscopique et macroscopique) et peuvent être utilisés pour établir le diagnostic d’un câble électrique et ainsi évaluer son état de dégradation général. Parmi ces marqueurs, l’existence d’un phénomène de migration d’espèces polaires des semi-conducteurs vers l’isolant du câble aura particulièrement attiré notre attention. Des analyses supplémentaires ont donc été réalisées afin de mieux appréhender ce phénomène.Ensuite, nous avons déterminé l’impact de contraintes thermique et électrique simultanées sur les propriétés physico-chimiques et diélectriques d’un isolant en PRC. Les analyses physico-chimiques ont montré que l’ajout d’une forte tension ne semble affecter ni l’oxydation, ni la diffusion. Des vieillissements sous contraintes importantes ont néanmoins permis d’identifier un signal particulier en spectroscopie diélectrique. La détection de ce signal pourra être utilisée pour anticiper des claquages de câbles sur le réseau électrique. Nous avons également réussi à établir un lien entre certains marqueurs chimiques et la dégradation des propriétés diélectriques des isolants pour des mises sous contraintes particulièrement extrêmes.

Due to its outstanding thermal and dielectric properties, XLPE (Chemically Crosslinked Polyethylene) is commonly used as a base material for manufacturing the electrical insulating jacket of MV cables. With a view to improve the reliability of these cables, aging studies have been carried out under different stress conditions (temperature, humidity, tension) on the different constituting layers, and in particular on the XLPE insulating one.First of all, we have identified several chemical and physical markers that can provide information on the aging degree of the XLPE insulation from MV cables. These different markers are representative of a degradation at different scales (molecular, microscopic and macroscopic) and they can be used to establish a diagnosis on an electrical cable, and thus evaluate its general state of degradation. Among these markers, the existence of a polar species’ migration phenomenon from semiconductors to the insulating layer had particularly attracted our attention. Additional analyzes were thus conducted to gain more insight on this phenomenon.Then, we have determined the impact of simultaneous thermal and electrical stresses on physico-chemical and dielectric properties of the XLPE insulating material. The physico-chemical analyzes have demonstrated that the addition of an important tension did not affect the oxidation and diffusion phenomena previously identified. Aging under high stress allowed us to identify a special signal in dielectric spectroscopy. The identification of such a signal could be used to anticipate cable breakdowns on the power grid. In addition, we were successful in establishing a clear link between some chemical markers and the degradation of the insulator dielectric properties in the case of extreme ageing conditions.